2.1 Main 하이퍼퓨브용 선형전동기 용량산정

EDS (Electrodynamic Suspension) 기반 차량의 추진에 요구되는 전동기의 추력은 공력저항, 전자기적 저항 및 가속도 저항의 합으로 산출된다. 공기역학적 저항력 $F_{aero}$은 차량의 형상계수 $C_{D}$와 튜브 내부의 공기밀도 $\rho$, 차량 속도 $V$, 차량의 단면적 $A$와 관계된 함수로 식(1)과 같이 표현된다.

식(1)로부터 하이퍼튜브 차량의 주행 속도에 따른 주행저항을 구하면 그림 1과 같이 표현된다.

하이퍼튜브 차량의 부상방식은 초전도 자석기반 EDS 부상방식으로, 튜브 가이드웨이 측벽에는 null-flux 부상코일이 설치된다. 하이퍼튜브 차량에 초전도 전자석 6모듈을 설치할 경우 속도 증가에 따른 전자기적 저항 $F_{d}$는 식 (2)로부터 구할 수 있으며 그 결과는 그림 2와 같다.

여기에서 $K^{Korr}$는 특정 코일계수, $K_{coil}$는 차량속도에 독립적인 코일계수, $N_{w}$는 차량 편성 수 그리고 $v_{c1}$은 특정 속도계수를 의미한다.

하이퍼튜브 차량의 설계 가속도는 4.9$m/s^{2}$이고 차량의 중량은 20ton이므로 가속에 의한 저항력 $F_{ac}$은 약 100kN이다. 따라서 하이퍼튜브의 공력저항 및 전자기적 저항 그리고 가속 저항을 모두 포함한 총 주행저항 $F_{L}$과 부하토크 $F_{L}$에 10%이상의 여유율을 적용한 하이퍼튜브의 요구 견인력 $F_{v}$를 도식화하면 그림 3과 같다.

그림 3의 요구견인력 125kN으로 시속 1,200km까지 4.9$m/s^{2}$의 가속도로 추진하는 경우 추진전력은 대략 34MW이다. 따라서 추진인버터의 설계 용량은 1,200 km/h까지 가속시 요구전력 34MW와 전력변환기의 효율 90% 및 역률 80% 그리고 설계 여유율 125%를 적용하면 대략 60MVA로 산출된다.

2.2 하이퍼튜브용 추진인버터 설계

기존 CHB-MLI의 구조는 분리된 DC전압원을 갖는 단상 인버터의 직렬접속을 기반으로 하고 있다⁽¹⁷⁾. 그림 4는 4개의 단상 풀-브리지 인버터 유닛으로 구성된 9레벨 인버터의 한 상에 대한 전력회로를 나타낸다. 출력 상 전압은 4개의 인버터 유닛에 의해 발생된 전압의 합으로 형성된다. 그리고 각 단상 풀-브리지 인버터는 $+V_{dc}$, $0$과 $-V_{dc}$ 의 3가지 전압을 발생시킬 수 있다. 따라서 이러한 각각의 인버터 ac 출력전압은 인버터 스위치 조건에 따라 $-4V_{dc}$ 에서 $+4V_{dc}$으로 9단계의 전압으로 변하게 되어 필터가 없어도 거의 정현전압 파형으로 나타난다⁽¹⁸⁾.

그림 4와 같이 일반적인 CHB-MLI의 경우 각각의 전원은 신재생에너지원으로부터 공급되어 서로 독립적이다. 그러나 하이퍼튜브용 CHB-MLI는 기후조건 등에 영향을 받지 않고 에너지 수급이 원활하도록 계통으로부터 수전되어야하며, 감속시 전력회생이 용이하도록 공통의 DC링크를 갖도록 설계하여야 한다. 그리고 인버터 입력측 공통전위로부터 출력전압이 서로 직렬로 합성될 수 있도록 인버터 출력 측에 전기적 절연을 위한 복권변압기를 배치하며, 저속 운전시 인버터의 저주파수 출력전압으로부터 출력변압기의 포화 현상을 막을 수 있도록 인버터의 출력 단에 컨텍터 $K_{1}$, $K_{2}$를 삽입하여 그림 5와 같이 설계하였다. 그래서 하이퍼튜브 차량이 저속 운행할 경우, 인버터는 1 step 인버터 출력측 컨텍터 $K_{1}$을 단락, 컨텍터 $K_{2}$를 개방시켜 인버터의 출력단과 LSLM 사이에 리액터 회로가 삽입된 하프-브리지 인버터로 구성되며, 풀-브리지 인버터가 두 개의 하프-브리지 인버터로 동작하여 변압기 모드에 비하여 2배의 전류를 공급할 수 있다. 차량이 중・고속 운행할 경우 인버터는 컨텍터 $K_{1}$을 개방, 컨텍터 $K_{2}$를 단락시켜 각각의 풀-브리지 인버터의 출력단은 출력변압기에 접속되며, 이때 인버터의 출력은 각각의 출력변압기에 의해 합성된 고전압이 발생된다. 그리고 인버터 시비율을 조절하면 인버터의 스텝이 변경되어 넓은 대역의 출력전압을 선형적으로 제어할 수 있다.

하이퍼튜브용 인버터는 LSLM의 섹션길이를 고려하여 정격 전압과 전류는 각각 14kV, 1.2kA이상이 되도록 설계하였다. 그래서 하이퍼튜브용 CHB-MLI는 DC링크단의 전압을 3kV로 하고, 14kV의 높은 출력전압을 발생시킬 수 있도록 그림 5와 같이 풀-브리지 인버터를 직렬 4단으로 설계하였다.

2.3 전력변환기의 스위칭손실 시뮬레이션 및 분석

하이퍼튜브용 CHB-MLI의 구동특성 및 전력변환효율에 대하여 분석하고자 PSIM을 이용하여 기존 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터와 5레벨 CHB-MLI에 대한 스위칭 손실 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 각각의 인버터 스위칭 디바이스 모델은 Infineon사의 FF300R12MS4으로 하였고, 이때 스위칭 디바이스 손실 분석을 위한 파라미터는 다음과 같다.

IGBT 모듈의 트랜지스터 측 전기적 특성 값은 데이터시트로부터 출력특성곡선 $V_{ce}$ vs. $I_{c}$, 스위칭 손실 $E_{on}$ vs $I_{c}$, $E_{off}$ vs. $I_{c}$에 대한 그래프를 적용하였고, 역 병렬 다이오드의 전기적 특성을 반영하기 위해 다이오드의 순방향 특성곡선 $V_{d}$ vs. $I_{F}$와 스위칭 손실곡선 $E_{rr}$ vs. $I_{F}$을 적용하였다. 그리고 스위칭 디바이스 모듈의 온도특성을 시뮬레이션에 반영하기 위해서 케이스와 히트싱크간의 열 저항 Rth(c-s)와 모듈의 크기 및 중량을 파라미터로 입력하였다. 그림 6은 시뮬레이션을 위한 5레벨 CHB-MLI를 나타내고 있으며, 고주파 분석시 전력변환기의 출력전압은 변압기 모드의 출력전압을 활용하였다.

그림 7은 5레벨 CHB-MLI에 대한 시뮬레이션 결과로 각각 5레벨 CHB-MLI의 출력 선간전압과 출력전압 $V_{uv}$에 대한 FFT 분석결과를 나타내고 있다. 이때 시뮬레이션 부하조건은 리액터 4mH와 저항 8Ω의 수동소자가 직렬로 접속되어져 있는 3상 부하이다. 그리고 부하에 인가되는 소비전력조건이 같도록 각각 2레벨 인버터와 3레벨 인버터의 DC링크전압은 300$V_{d}$c로 하였고, 5레벨 CHB-MLI의 DC링크전압은 100$V_{d}$c로 적용하였으며, 모든 인버터에 대하여 스위칭 주파수는 5kHz로 하였다.

그림 8는 3종류의 인버터에 대하여 시비율(MI)을 변경하는 경우 각각의 인버터의 입력전력 Pin(W)과 스위칭 디바이스의 전력손실 Ploss(W)을 나타내었다. 해당 결과로부터 5레벨 CHB-MLI는 모든 시비율에 대하여 3레벨 인버터 및 2레벨 인버터에 비하여 높은 효율을 나타나는 것을 알 수 있다.

2.4 축소형 하이퍼튜브 시험장치 실험 및 결과

해당 응용분야에서 하이퍼튜브용 CHB-MLI의 가용성을 확인하기 위해, 축소형 하이퍼튜브 시험 장치를 제작하였다. 시험 장치는 그림 9와 같이 20m길이의 가이드웨이와 80kg급 상전도 코일 계자를 탑재한 이동대차로 구성되어져 있으며, 축소형 하이퍼튜브 차량에 추진력을 공급하기 위해 가이드웨이 양측에 LSLM을 설치하였고, 5레벨 CHB-MLI로 추진전력을 공급할 수 있도록 하였다.

표 1은 축소형 하이퍼튜브 시험 장치에 대한 주요사양을 나타내고 있다.

축소형 하이퍼튜브 시험장치의 제어기는 TMS320F28335 프로세서를 기반으로 구성되어져 있으며, 전류제어주기는 200[us]이다. LSLM 구동을 위한 제어방식은 회전자 자속기준벡터제어이며, 제어를 위한 위상각은 지상 라이다에서 검출되어 지상 인버터로 20[ms]마다 전송된다. 그러나 전류제어기는 200us마다 연산되기 때문에 100배 빠른 위상각 정보의 업데이트가 필요하다. 따라서 본 시스템의 추진제어기는 그림 10과 같이 위치 추정기를 기반으로 구성되어져 있다.

그림 11~그림 12는 5레벨 CHB-MLI의 부하전류 $i_{u}$, 선간전압 $V_{uv}$, 상전압 $V_{u}$, 부하소비전력 $P_{Load}$ 및 부하역률 $\cos\theta$를 나타내며, 인버터 DC링크 전압은 300$V_{d}$c, 부하는 리액터 4mH와 저항 8Ω이 Y결선으로 구성되어있다. 여기에서 그림 12는 저속 운전을 고려한 것으로 5레벨 CHB-MLI의 인덕터 모드 운전결과이다. 실험 결과로부터 인덕터 모드에서는 각 상의 H-브리지 인버터는 하프-브리지 인버터 동작하여 2레벨의 출력전압이 발생되는 것을 볼 수 있다.

그림 12는 고속 운전을 고려한 부하시험으로 각 상의 인버터 출력은 변압기에 의해 직렬 접속된다. 실험 결과로부터 변압기 모드에서 각각의 인버터는 풀-브리지 단상 인버터로 동작하여, DL850스코프코더에 의해 측정된 입력 DC링크 전압이 80$V_{d}$c일 때, 출력 선간전압은 대략 170Vrms이었다. 그리고 입력전력은 측정된 $V_{d}$c(rms)와 idc(Avg.)에 의해 2.96kW로 산출되었고, 출력전력은 2.84kW로 측정되어 인버터 효율은 대략 96%로 나타났으며 이것은 시뮬레이션 결과와 유사한 값이다.

그림 13은 인버터가 변압기 모드로 운전시 인버터 출력 선간전압에 대한 FFT 분석결과를 나타낸 것으로, 그림 7의(b) 출력전압 $V_{uv}$에 대한 FFT 분석결과와 비교할 경우 5kHz 주파수 범위에서 고조파가 다소 상승하였으나 전체적으로는 유사한 결과가 나타났다.

그림 14는 5레벨 CHB-MLI에 의한 축소형 하이퍼튜브 시험장치 운전결과를 나타낸다. 시험조건은 20m 길이의 가이드웨이를 축소형 하이퍼튜브 차량이 왕복 운전하는 것이며, 실험결과 파형은 위로부터 축소차량의 인버터 U상 전류 $i_{U}$, 이동속도 $V_{V}$, 차량 가속도 $A_{V}$, 소배전력 P(W), 역률 $\lambda$ 와 인버터 U상 출력 상전압 $V_{an}$를 나타낸다. 실험 결과로부터 해당 5레벨 CHB-MLI에 의해 추진되는 차량은 최대 가속도 1.8$m/s^{2}$, 최대 속도 4m/s을 확인할 수 있다. 이와 같이 축소형 하이퍼튜브 차량이 원활한 가·감속 및 정역 운전이 가능한 것을 볼 때 본 논문에서 설계한 5레벨 CHB-MLI는 6대의 풀-브리지 인버터에 의해 기존 단일 유닛의 3상 인버터와 같은 운전특성을 보여주고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 설계한 인버터 토플로지는 하이퍼튜브와 같은 고전압 대용량 추진시스템 응용분야에 적합할 것으로 사료된다.